高频电子线路(第四版)第4章 高频小信号放大器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高频小信号放大器的特点：,放大高频小信号,(,中心频率在几百,kHz,到几百,MHz,，频谱宽度在几,kHz,到几十,MHz,的范围内,),的放大器。,4.1,概述,几十,V,几,mV,1V,左右,普通调幅无线电广播所占带宽应为,kHz,，电视信号的带宽为,M,z,左右。,4.1,概述,高频小信号放大器的特点：,放大高频小信号,(,中心频率在几百,kHz,到几百,MHz,，频谱宽度在几,kHz,到几十,MHz,的范围内,),的放大器。,音 频,射 频,微 波,单振荡回路,耦合振荡回路,高频小信号放大器,谐振放大器（窄带）,非谐振放大器（宽带）,LC,集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,（调谐与非调谐）,高频小信号放大器的分类,有源器件,谐振回路,窄带谐振放大器,宽带非谐振放大器,滤波器,宽带非谐振放大器,本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。,4.1,概述,高频小信号放大器的主要质量指标,1),增益,：,（放大系数）,电压增益,：,分贝表示,：,功率增益,：,2),通频带,：,4.1,概述,高频小信号放大器的主要质量指标,3),选择性,矩形系数,：,表示与理想滤波特性的接近程度。,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用,矩形系数,和,抑制比,来表示。,4.1,概述,高频小信号放大器的主要质量指标,抑制比,：,表示对某个干扰信号,f,n,的抑制能力，用,d,n,表示。,4.1,概述,3),选择性,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用,矩形系数,和,抑制比,来表示。,高频小信号放大器的主要质量指标,4),工作稳定性：,指放大器的工作状态,(,直流偏置,),、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。,不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。,4.1,概述,出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。,低频,小信号模型,高频,小信号模型,A,F,A,高频小信号放大器的主要质量指标,4.1,概述,4),工作稳定性：,指放大器的工作状态,(,直流偏置,),、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。,End,End,高频小,信号,放大器的分析方法,晶体管工作在线性区，可看成,线性元件,，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。,4.1,概述,几十,V,几,mV,1V,左右,4.2,晶体管高频小信号等效电路与参数,4.2.1,形式等效电路,（网络参数等效电路）,4.2.2,混合,等效电路,4.2.3,混合,等效电路参数与,形式等效电路参数的转换,4.2.4,晶体管的高频参数,4.2.1,形式等效电路,因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的,y,（导纳）参数等效电路。,4,5,1,2,3,R,b1,R,b2,R,e,y,L,C,b,C,e,C,Tr,1,Tr,2,T,L,V,CC,3,2,1,5,4,Tr,1,Tr,2,C,L,y,L,T,输入回路,输出回路,晶体管,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用,有源,四端网,络,参数微变等效电路来分析。,双口网络,即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮,流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流而,四端网络,虽然其外部结构与双口网络相同,但对流入流出电流没有类似的规定,这是两者的区别。,对于双口网络,在其每一个端口都只有一个电流变量和一个电压变量,因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自变量,其余两个为应变量,则共有六种组合方式,也就是有六组可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。参数方程就是其中的一组,它是选取各端口的电压为自变量,电流为应变量。,双口网络,双口网络示意图,h,参数系,z,参数系,y,参数系,图,4.2.1,晶体管共发射极电路,图,4.2.2,参数等效电路,形式等效电路,称为输出短路时的,输入导纳,；,称为输入短路时的,反向传输导纳,；,称为输出短路时的,正向传输导纳,；,称为输入短路时的,输出导纳,。,图,4.2.2,参数等效电路,放大器输入导纳,Y,i,4.2.1,形式等效电路,图,4.2.3,晶体管放大器及其,参数等效电路,放大器输出导纳,Y,o,End,4.2.1,形式等效电路,表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。,fe,越大,表示晶体管的放大能力越强；,re,越大,表示晶体管的内部反馈越强。,re,的存在,对实际工作带来很大危害,是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小,或削弱它的影响。,4.2.2,混合,等效电路,y,（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。,图,4.2.4,混合,等效电路,优点：各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。,缺点：分析电路不够方便。,e,b,r,ce,r,bc,r,ee,C,be,C,bc,r,bb,r,be,c,r,cc,b,g,m,v,be,End,图,4.2.4,混合,等效电路,End,4.2.2,混合,等效电路,是发射结电阻,是集电结电阻,是发射结电容,是集电结电容,是基极体电阻,代表晶体管的电流放大作用,集射极间电阻,集射极电容,图,4.2.5,参数及混合,等效电路,4.2.3,等效电路参数的转换,End,4.2.3,等效电路参数的转换,两种思路,1.,定义法,2.,节点电流法,混合,等效电路参数与,Y,参数的转换,参数方程为：,图中受控电流源 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。,fe,越大,表示晶体管的放大能力越强；,re,越大,表示晶体管的内部反馈越强。,re,的存在,对实际工作带来很大危害,是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小,或削弱它的影响。,晶体管的参数可以通过测量得到。根据参数方程,分别使输出端或输入端交流短路,在另一端加上直流偏压和交流信号,然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流,代入就可求得。通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的参数。,需要注意的是,参数不仅与静态工作点的电压值、电流值有关,而且是工作频率的函数。例如当发射极电流增加时,输入与输出电导都将加大。当工作频率较低时,电容效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,都应注意,工作条件和工作频率,。,显然,在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略,参数是一个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式,而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式,即,:,y,ie,=g,ie,+jC,ie,y,oe,=g,oe,+jC,oe,y,fe,=|y,fe,|,fe,y,re,=|y,re,|,re,y,ie,y,oe,y,re,u,ce,y,fe,u,be,C,ie,g,ie,g,oe,C,oe,4.2.3,等效电路参数的转换,1.,截止频率,1,2.,特征频率,当,f f,T,后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于,1,。,4.2.4,晶体管的高频参数,4.2.4,晶体管的高频参数,1,2.,特征频率,图,4.2.6 ,截止频率和,特征频率,可以粗略计算在某工作频率,f f,的电流放大系数。,3.,最高振荡频率,f,max,f,f,max,后，,G,p,1,不论其,Q,值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。,4.3.3,通频带与选择性,End,4.3.4,级间耦合网络,图,4.3.4,单调谐放大器的级间耦合网络形式,End,4.4,多级单调谐回路谐振放大器,若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。,A,v,1,A,v,2,A,v,n,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,4.4,多级单调谐回路谐振放大器,1.,增益,2.,通频带,可求得,n,级放大器的通频带,4.4,多级单调谐回路谐振放大器,3.,选择性,（,矩形系数,）,通频带,当级数,n,增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。,End,4.4,多级单调谐回路谐振放大器,4.6,谐振放大器的稳定性与稳定措施,4.6.1,谐振放大器的稳定性4.6.2,单向化,4.6.1,谐振放大器的稳定性,以上分析时，假定,y,re,0,，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈,y,re,的影响。,1.,放大器的输入导纳和输出导纳,引用,4.2,结果，可知,如果放大电路输入端也接有谐振回路,(,或前级放大器的输出谐振回路,),，那么输入导纳,Y,i,并联在放大器输入端回路后,(,假定耦合方式是,全部接入,),，,2.,自激振荡的产生,(,以输入导纳的影响为例,),图,4.6.1,放大器等效输入端回路,实际电路中，,4.6.1,谐振放大器的稳定性,所谓,“,谐振,”,，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。,此时，如果,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,（自激振荡）,4.6.1,谐振放大器的稳定性,如果反馈电导为负值，那么,g,=,g,s,+,g,ie1,+,g,F,=0,可能存在，即发生自激振荡现象。,3.,自激产生的原因,(,以输入导纳的影响为例,),图,4.6.2,反馈电导,随频率变化,的关系曲线,此时，如果,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,4.6.1,谐振放大器的稳定性,为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,=0,=0,分解为幅值和相位两个条件,4.6.1,谐振放大器的稳定性,不发生自激的条件,，,4.6.1,谐振放大器的稳定性,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,=0,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),稳定系数,如果,S,1,，放大器可能产生自激振荡；如果,S,1,，放大器不会产生自激。,S,越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),5.,稳定性分析,假设放大器输入与输出回路相同，,(,包括谐振回路,),4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),假定,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),稳定系数,如果,S,1,，放大器可能产生自激振荡；,如果,S,1,，放大器不会产生自激S,越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),5.,稳定性分析,4.6.1,谐振放大器的稳定性,5.,稳定性分析,增益和稳定性为一对矛盾。,考虑到全部接入，即,p,1,=,p,2,=1,End,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.6.2,单向化,如前所述，由于晶体管内存在,y,re,的反馈，所以它是一个,“,双向元件,”,。作为放大器工作时，,y,re,的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除,y,re,的反馈，变,“,双向元件,”,为,“,单向元件,”,。这个过程称为单向化。,A,FC,be,r,bb,C,bc,r,bc,r,be,v,be,r,ce,g,m,v,be,A,F,避免自激的做法有,中和法和失配法。,如果把负载导纳,Y,L,取得比晶体管,y,oe,大得多，即,Y,L,y,oe,，那么输入导纳,4.6.2,单向化,不发生自激的条件,，,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,所谓“失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；,晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,同理，如果把信号源导纳,Y,s,取得比晶体管,y,ie,大得多，那么输出导纳,因此，,所谓“失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,4.6.2,单向化,如果把负载导纳,Y,L,取得比晶体管,y,oe,大得多，即,Y,L,y,oe,，那么输入导纳,4.6.2,单向化,稳定系数,可知，当,Y,s,y,ie,和,Y,L,y,oe,，稳定系数,S,大大增加。,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,典型电路,i,c1,y,oe,y,ie,End,4.6.2,单向化,